JP6150514B2

JP6150514B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP6150514B2
Application number: JP2012273904A
Authority: JP
Inventors: 直道田村; 正有山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014119165A; US10024588B2; US20140165628A1

Description

本発明は、空気調和機に関し、特に霜取運転時の制御方法に関するものである。

空気調和機において、熱源側熱交換器として空気から再熱する空冷方式では、暖房運転中に熱源側熱交換器には霜が付着することがあるため、定期的に霜取運転を行うのが一般的である。霜取運転のときは四方弁の流路を熱源側熱交換器側に切り替えることで実施するため、霜取運転中には利用側熱交換器による暖房運転ができなかった。

この課題を解決するために、暖房運転を継続しながら霜取運転を実施する空気調和機の回路および制御方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開平１０−２０５９３２号公報（たとえば、［０００９］〜［００２２］、図１〜３参照）

しかし、特許文献１に記載の空気調和機では、熱源側熱交換器の他に霜取用熱交換器も必要となるため、高価になってしまうという課題があった。また、熱交換器の配置や熱交換器能力によらず、霜取りの順番が決まっている。そのため、熱源側熱交換器を鉛直方向に分けて配置されている空気調和機で部分的な霜取運転を実施すると、霜取りによって熱交換器の霜が融解して水となり、フィンを伝って滴下してしまう。そして、その滴下した水が霜取りしていない熱交換器の霜に触れると、フィン間にブリッジしたり、そのまま氷結したりしてしまう。その結果、熱交換器能力を極端に低下させる、あるいは、当該熱交換器の霜を融解させるのに非常に長い時間を要し、暖房能力を低下させる原因となっていた。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、熱源側熱交換器の霜を融解させる確実性を向上でき、暖房能力を維持することができる空気調和機を提供することを目的としている。

本発明に係る空気調和機は、圧縮機、第一流路切換弁、熱源側熱交換器、第二流路切換弁、第一絞り装置、及び利用側熱交換器が直列に配管接続され、かつ、前記圧縮機、第三流路切換弁、前記熱源側熱交換器、及び、前記第一流路切換弁が直列に配管接続され、
前記熱源側熱交換器は鉛直方向に３つに分割された上部熱源側熱交換器、中部熱源側熱交換器、下部熱源側熱交換器から構成されており、前記第一流路切換弁、前記第二流路切換弁、及び、前記第三流路切換弁はそれぞれ前記熱源側熱交換器が分割された数と同数設けられており、前記第一流路切換弁、前記第二流路切換弁、前記第三流路切換弁、及び、前記第一絞り装置の開閉を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記熱源側熱交換器の前記各部の熱交換器能力、前記熱源側熱交換器の前記各部の必要暖房能力、及び、前記熱源側熱交換器の前記各部の配置に基づいて、該各部の霜取りを行う順番を決定し、前記熱源側熱交換器の霜取りを行う部分に対応した、前記第一流路切換弁及び前記第三流路切換弁を開とし、前記第二流路切換弁を閉とし、前記熱源側熱交換器に前記圧縮機からの吐出冷媒を流す霜取運転を実施するものであり、熱交換器能力が、上部熱源側熱交換器≧中部熱源側熱交換器≧下部熱源側熱交換器の場合において、必要暖房能力が基準値より大きい場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器、３番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行い、必要暖房能力が基準値以下の場合は、１番目に下部熱源側熱交換器及び中部熱源側熱交換器、２番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行うものであり、熱交換器能力が、上部熱源側熱交換器≦中部熱源側熱交換器≦下部熱源側熱交換器の場合において、必要暖房能力が基準値より大きい場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器、３番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行い、必要暖房能力が基準値以下の場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器及び上部熱源側熱交換器の霜取りを行うものである。

本発明に係る空気調和機によれば、熱源側熱交換器の各部の熱交換器能力、熱源側熱交換器の各部の必要暖房能力、及び、熱源側熱交換器の各部の配置に基づいて、各部の霜取りを行う順番を決定し、それに応じて第一流路切換弁、第二流路切換弁、及び、第三流路切換弁の開閉を制御して、熱源側熱交換器に圧縮機からの吐出冷媒を流す霜取運転を実施するので、熱源側熱交換器の霜を融解させる確実性を向上でき、暖房能力を維持することができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路構成を概略的に示す回路図である。本発明の実施の形態に係る空気調和機の熱源側熱交換器の斜視図である。本発明の実施の形態に係る空気調和機の霜取運転時の制御の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路構成を概略的に示す回路図、図２は、本発明の実施の形態に係る空気調和機の熱源側熱交換器の斜視図である。

（冷媒回路の構成）
本実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路は、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器３、過冷却熱交換器７、第一絞り装置４、利用側熱交換器５、アキュムレータ６が順次配管で直列に接続されている。また、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器３、過冷却熱交換器７、第二絞り装置８、アキュムレータ６が順次配管で直列に接続されている。
熱源側熱交換器３は上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの鉛直方向に３分割されており、それらと四方弁２とを接続する配管のそれぞれに、第一流路切換弁１００ａ〜１００ｃが設けられている。
熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃと第一絞り装置４とを接続する配管のそれぞれに、第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃが設けられている。
圧縮機１と四方弁２とを接続している配管から分岐し、熱源側熱交換器３と第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃとを接続する配管に合流するように接続された配管のそれぞれに、第三流路切換弁３００ａ〜３００ｃが設けられている。
第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃと第一絞り装置４とを接続している配管と、第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃと第一絞り装置４とを接続している配管から分岐した配管とに、過冷却熱交換器７が接続されている。そして、その分岐した配管は、過冷却熱交換器７と接続された後、四方弁２とアキュムレータ６とを接続する配管に合流するように接続されている。また、その分岐した配管の分岐点と過冷却熱交換器７との間には第二絞り装置８が設けられている。

（各構成の説明）
（圧縮機）
圧縮機１は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。なお、圧縮機１は、吸入した冷媒を高圧状態に圧縮できるものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、レシプロ、ロータリー、スクロールあるいはスクリューなどの各種タイプを利用して構成することができる。
（四方弁）
四方弁２は、冷媒の流れを切り替えるものである。圧縮機１から吐出した冷媒を熱源側熱交換器３から利用側熱交換器５に順に流す冷房運転時のサイクルと、圧縮機１から吐出した冷媒を利用側熱交換器５から熱源側熱交換器３の順に流す暖房運転時及び霜取運転時のサイクルと、に切り替える機能を有している。

（熱源側熱交換器）
熱源側熱交換器３は、蒸発器や放熱器（凝縮器）として機能し、ファン３０から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。本実施の形態では図２に示すように、上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃは、鉛直方向に配置され、ファン３０を回転させ背面及び側面からそれぞれ空気を吸込み、熱交換された空気は上部に設けられた吹出し口から上方へ吹出される。
なお、熱源側熱交換器３は、ファン３０から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化できるものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、クロスフィンチューブタイプやクロスフロータイプなどの各種タイプを利用して構成することができる。
（第一絞り装置）
第一絞り装置４は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この第一絞り装置４は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。

（利用側熱交換器）
利用側熱交換器５は、放熱器（凝縮器）や蒸発器として機能し、図示省略の送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮液化又は蒸発ガス化するものである。
なお、利用側熱交換器５は、図示省略の送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化できるものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、クロスフィンチューブタイプやクロスフロータイプなどの各種タイプを利用して構成することができる。
（アキュムレータ）
アキュムレータ６は、圧縮機１の吸入側に配置され、過剰な冷媒を貯留するものである。なお、アキュムレータ６は、過剰な冷媒を貯留できる容器であればよい。

（過冷却熱交換器）
過冷却熱交換器７は、例えば二重管熱交換器が用いられ、過冷却熱交換器７に接続されている二つの配管を流れる冷媒同士で熱交換を実行するものである。
（第二絞り装置）
第二絞り装置８は、減圧弁や膨張弁として機能し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この第二絞り装置８は、第一絞り装置４と同様に、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。

本実施の形態に係る空気調和機には、空気調和機の動作を統括制御する制御装置２０が設けられており、第一温度センサー９、及び第二温度センサー１０ａ〜１０ｃも設けられている。
熱源側熱交換器３と第一絞り装置４とを接続する配管の熱源側熱交換器３の近傍に第一温度センサー９が設けられており、熱源側熱交換器３ａ〜３ｃと第一流路切換弁１００ａ〜１００ｃとを接続する配管部にそれぞれ第二温度センサー１０ａ〜１０ｃが設けられている。

（制御装置）
制御装置２０は、圧縮機１の駆動周波数、ファン３０の回転数、四方弁２の切り替え、各絞り装置の開度、第一流路切換弁１００ａ〜１００ｃ、第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃ、及び第三流路切換弁３００ａ〜３００ｃの開閉等を制御する。つまり、制御装置２０は、マイコン等で構成されており、図示省略の各種検出装置での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、各アクチュエーター（空気調和機を構成している駆動部品）を制御し、空気調和機の運転を実行する。

（温度センサー）
第一温度センサー９、及び第二温度センサー１０ａ〜１０ｃは、設けられた位置を流れる冷媒の温度をそれぞれ検出する。各温度センサーで検出された温度情報は、空気調和機の動作を統括制御する制御装置２０に送られ、空気調和機を構成している各アクチュエーターの制御に利用されることになる。

（暖房運転時のサイクルの説明）
まず、暖房運転時のサイクルについて説明する。
四方弁２を利用側熱交換器側５に切り替え、第一流路切換弁１００ａ〜１００ｃおよび第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃは開、第三流路切換弁３００ａ〜３００ｃは閉とし流路を形成する。
圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機１から吐出して四方弁２を経由し、利用側熱交換器５に流入する。利用側熱交換器５に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮され高圧の二相冷媒となり、第一絞り装置４により膨張され低圧の二相冷媒となる。その後、冷媒は第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃ側と第二絞り装置８側とに分流される。
第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃ側に分流された冷媒は、第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃを経由して熱源側熱交換器３ａ〜３ｃに流入する。その後、熱源側熱交換器３ａ〜３ｃで蒸発されたガス冷媒は第一流路切換弁１００ａ〜１００ｃ、四方弁２、アキュムレータ６を経由して圧縮機１へ戻る。
一方、第二絞り装置８側に分流された冷媒は、第二絞り装置８で膨張されてさらに低圧となった後、過冷却熱交換器７に流入し、そこで第二流路切換弁２００ａ〜２００ｃ側に分流された冷媒を冷却する。その後、アキュムレータ６を経由して圧縮機１へ戻る。

（霜取運転時のサイクルの説明）
続いて霜取運転時のサイクルについて説明する。
以下、上部熱源側熱交換器３ａの霜取運転について説明する。
第一流路切換弁１００ａを開、第二流路切換弁２００ａを閉、第三流路切換弁３００ａを開とし、第一流路切換弁１００ｂ，１００ｃは開、第二流路切換弁２００ｂ，２００ｃは開、第三流路切換弁３００ｂ，３００ｃは閉とする。

圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、吐出側の配管部で四方弁２側と第三流路切換弁３００ａ側に分流される。
四方弁２側に分流された冷媒は、四方弁２を経由して利用側熱交換器５に流入する。利用側熱交換器５に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮され高圧の二相冷媒となり、第一絞り装置４により膨張され低圧の二相冷媒となる。そして、第二流路切換弁２００ｂ，２００ｃを経由して中部熱源側熱交換器３ｂ，下部熱源側熱交換器３ｃに流入し、中部熱源側熱交換器３ｂ，下部熱源側熱交換器３ｃで蒸発されたガス冷媒となった後、第一流路切換弁１００ｂ，１００ｃ、四方弁２、アキュムレータ６を経由して圧縮機１へ戻る。

一方、第三流路切換弁３００ａ側に分流された冷媒は、第三流路切換弁３００ａを経由して上部熱源側熱交換器３ａに流入する。そこで冷媒は放熱し、上部熱源側熱交換器３ａを加熱して霜を融解させる。その後、放熱により凝縮された冷媒は、第一流路切換弁１００ａを経由して、中部熱源側熱交換器３ｂ，下部熱源側熱交換器３ｃで蒸発された冷媒と合流して、四方弁２、アキュムレータ６を経由して圧縮機１へ戻る。
なお、上記は上部熱源側熱交換器３ａの霜取運転について説明したが、中部熱源側熱交換器３ｂまたは下部熱源側熱交換器３ｃの霜取りについても同様である。

図３は、本発明の実施の形態に係る空気調和機の霜取運転時の制御の流れを示すフローチャートである。
以下、図３に沿って本実施の形態に係る空気調和機が実行する霜取運転時の特徴的な制御内容について詳細に説明する。

まず、空気調和機において暖房運転を開始する（Ｓ１）。
暖房運転が開始されると、制御装置２０は第一温度センサー９で検出された温度Ｔ１が所定値以下かどうか（Ｔ１≦所定値）の判定を行う（Ｓ２）。
温度Ｔ１が所定値より高い場合は暖房運転を継続し、温度Ｔ１が所定値以下の場合は霜取運転に切り替える（Ｓ３）。

霜取運転になったら、まず熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの配置を制御装置２０へ入力する（Ｓ４）。配置は機種により固有であり配置については予め図示省略の記憶装置などに記憶させておく。以下は、熱源側熱交換器３において、上から上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの順番で配置されているものについて説明する。

次に、熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの熱交換器能力を制御装置２０へ入力する（Ｓ５）。熱交換器能力は機種により固有であり熱交換器能力については予め図示省略の記憶装置などに記憶させておく。
次に、そのときの熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの必要暖房能力情報（＝暖房負荷）を制御装置２０へ入力する（Ｓ６）。必要暖房能力は室内機の台数および容量によって決定され、台数および容量の室内機の情報は通信手段などによって制御装置２０へ入力される。

（Ｓ４）〜（Ｓ６）の入力の情報を受けて、制御装置２０は霜取りの順番を決定し（Ｓ７）、熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃのそれぞれについて霜取りを行う（Ｓ８）。
その後、制御装置２０は霜取りを実施している部分の熱源側熱交換器３ａ〜３ｃの霜取りが終了したかを判定する（Ｓ９）。例えば、上部熱源側熱交換器３ａの霜取りをしているときに第一温度センサー９及び第二温度センサー１０ａが検出した温度Ｔ１及びＴ２のどちらかが所定値以下のときは霜取りを継続し、どちらも所定値より大きいときは霜取りを終了する。

そして、全部分（上部、中部、下部）の熱源側熱交換器３ａ〜３ｃの霜取りが終了したかを判定する（Ｓ１０）。全部分の熱源側熱交換器３ａ〜３ｃの霜取りが終了した場合は暖房運転に移行する（Ｓ１）。
一方、全部分の熱源側熱交換器３ａ〜３ｃの霜取りが終了していない場合は、制御装置２０は次に霜取りする部分の熱源側熱交換器３ａ〜３ｃに変更し（Ｓ１１）、霜取り運転を継続する（Ｓ８）。

次に、（Ｓ７）における熱源側熱交換器３の上部熱源側熱交換器３ａ、中部熱源側熱交換器３ｂ、下部熱源側熱交換器３ｃの霜取りの順番の決定方法について説明する。
（Ｓ５）で得た熱交換器能力情報で熱交換器能力の大きさの順番が上部熱源側熱交換器３ａ≧中部熱源側熱交換器３ｂ≧下部熱源側熱交換器３ｃのときは表１になる。着霜の状態でドレン水を受け付けないようにするために、先に下部から霜取りを行い、その後、上部を行う。
必要暖房能力が大の場合（Ｓ６）、１番目に下部熱源側熱交換器３ｃの霜取りを行い（Ｓ７−１）、２番目に中部熱源側熱交換器３ｂの霜取りを行い（Ｓ７−２）、３番目に上部熱源側熱交換器３ａの霜取りを行う（Ｓ７−３）。
必要暖房能力が中または小の場合（Ｓ６）、１番目に中部熱源側熱交換器３ｂと下部熱源側熱交換器３ｃ両方の霜取りを行い（Ｓ７−１）、２番目に上部熱源側熱交換器３ａの霜取りを行う（Ｓ７−２）。

（Ｓ７）で得た熱交換器能力情報で熱交換器能力の大きさの順番が上部熱源側熱交換器３ａ≦中部熱源側熱交換器３ｂ≦下部熱源側熱交換器３ｃのときは表２になる。
必要暖房能力が大の場合（Ｓ６）、１番目に下部熱源側熱交換器３ｃの霜取りを行い（Ｓ７−１）、２番目に中部熱源側熱交換器３ｂの霜取りを行い（Ｓ７−２）、３番目に上部熱源側熱交換器３ａの霜取りを行う（Ｓ７−３）。
必要暖房能力が中または小の場合（Ｓ６）、１番目に下部熱源側熱交換器３ｃの霜取りを行い（Ｓ７−１）、２番目に上部熱源側熱交換器３ａと中部熱源側熱交換器３ｂ両方の霜取りを行う（Ｓ７−２）。

熱源側熱交換器が鉛直方向に２分割されている場合は表３となる。表３において、上部に上部熱源側熱交換器３ａ’、下部に下部熱源側熱交換器３ｂ’の熱源側熱交換器が配置されているものとする。
熱源側熱交換器が上下２つの場合は、熱交換器能力及び必要暖房能力に関らず、下部の下部熱源側熱交換器３ｂ’から霜取りを行う。

以上のように、鉛直方向に分割された熱源側熱交換器の各配置と、熱源側熱交換器能力と、必要暖房能力とに応じて霜取りの順番を決定する。すなわち下部の熱源側熱交換器の霜取運転を先に実施し、その後、上部の熱源側熱交換器の霜取運転を実施するように順番を決定する。それによって、下部の滴下するドレン水の水路を確保し、上部の熱源側熱交換器の霜取りで発生したドレン水を速やかに排出することが可能になり、確実に熱源側熱交換器の霜を融解させることができるため、暖房能力を維持することができる。

１圧縮機、２四方弁、３熱源側熱交換器、３ａ上部熱源側熱交換器、３ａ’ 上部熱源側熱交換器、３ｂ中部熱源側熱交換器、３ｂ’ 下部熱源側熱交換器、３ｃ下部熱源側熱交換器、４第一絞り装置、５利用側熱交換器、６アキュムレータ、７過冷却熱交換器、８第二絞り装置、９第一温度センサー、１０ａ第二温度センサー、１０ｂ第二温度センサー、１０ｃ第二温度センサー、２０制御装置、３０ファン、１００ａ第一流路切換弁、１００ｂ第一流路切換弁、１００ｃ第一流路切換弁、２００ａ第二流路切換弁、２００ｂ第二流路切換弁、２００ｃ第二流路切換弁、３００ａ第三流路切換弁、３００ｂ第三流路切換弁、３００ｃ第三流路切換弁。

Claims

圧縮機、第一流路切換弁、熱源側熱交換器、第二流路切換弁、第一絞り装置、及び利用側熱交換器が直列に配管接続され、かつ、前記圧縮機、第三流路切換弁、前記熱源側熱交換器、及び、前記第一流路切換弁が直列に配管接続され、
前記熱源側熱交換器は鉛直方向に３つに分割された上部熱源側熱交換器、中部熱源側熱交換器、下部熱源側熱交換器から構成されており、
前記第一流路切換弁、前記第二流路切換弁、及び、前記第三流路切換弁はそれぞれ前記熱源側熱交換器が分割された数と同数設けられており、
前記第一流路切換弁、前記第二流路切換弁、前記第三流路切換弁、及び、前記第一絞り装置の開閉を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記熱源側熱交換器の前記各部の熱交換器能力、前記熱源側熱交換器の前記各部の必要暖房能力、及び、前記熱源側熱交換器の前記各部の配置に基づいて、該各部の霜取りを行う順番を決定し、前記熱源側熱交換器の霜取りを行う部分に対応した、前記第一流路切換弁及び前記第三流路切換弁を開とし、前記第二流路切換弁を閉とし、前記熱源側熱交換器に前記圧縮機からの吐出冷媒を流す霜取運転を実施するものであり、
熱交換器能力が、上部熱源側熱交換器≧中部熱源側熱交換器≧下部熱源側熱交換器の場合において、
必要暖房能力が基準値より大きい場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器、３番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行い、
必要暖房能力が基準値以下の場合は、１番目に下部熱源側熱交換器及び中部熱源側熱交換器、２番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行うものであり、
熱交換器能力が、上部熱源側熱交換器≦中部熱源側熱交換器≦下部熱源側熱交換器の場合において、
必要暖房能力が基準値より大きい場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器、３番目に上部熱源側熱交換器の霜取りを行い、
必要暖房能力が基準値以下の場合は、１番目に下部熱源側熱交換器、２番目に中部熱源側熱交換器及び上部熱源側熱交換器の霜取りを行うものである
ことを特徴とする空気調和機。